Cilj rada

Upoznavanje sa metodologijom izvođenja eksperimenata za određivanje stepena crnila površine tijela.

Razvoj vještina eksperimentiranja.

Vježbajte

Odrediti stepen emisivnosti ε i emisivnost sa površina 2 različita materijala (obojeni bakar i polirani čelik).

Ustanoviti zavisnost promene stepena emisivnosti od temperature površine.

Uporedite vrijednosti crne boje obojenog bakra i poliranog čelika.

Teorijski uvod

Toplotno zračenje je proces prenošenja toplotne energije putem elektromagnetnih talasa. Količina toplote koja se prenosi zračenjem zavisi od svojstava tela koje zrače i njegove temperature i ne zavisi od temperature okolnih tela.

Općenito, toplotni tok koji pada na tijelo se djelimično apsorbira, djelimično reflektira i djelimično prolazi kroz tijelo (slika 1.1).

Rice. 1.1. Dijagram raspodjele energije zračenja

(2)

Gdje - toplotni tok koji pada na tijelo,

- količina toplote koju telo apsorbuje,

- količina toplote koju telo reflektuje,

- količina toplote koja prolazi kroz tijelo.

Desni i lijevi dio dijelimo toplotnim tokom:

Količine
nazivaju se respektivno: apsorpcija, refleksija i transmitantnost tijela.

Ako
, To
, tj. apsorbuje se ceo toplotni tok koji pada na telo. Takvo tijelo se zove apsolutno crna .

Tela koja
,
one. ceo toplotni tok koji pada na telo se odbija od njega, tzv bijela . Štoviše, ako se refleksija s površine pokorava zakonima optike, tijelo se naziva ogledalo – ako je refleksija difuzna – apsolutno belo .

Tela koja
,
one. cijeli toplotni tok koji pada na tijelo prolazi kroz njega naziva se dijatermni ili potpuno providni .

Apsolutna tijela ne postoje u prirodi, ali je koncept takvih tijela vrlo koristan, posebno o apsolutnom crnom tijelu, budući da su zakoni koji regulišu njegovo zračenje posebno jednostavni, jer se zračenje ne odbija od njegove površine.

Osim toga, koncept apsolutno crnog tijela omogućava dokazivanje da u prirodi nema tijela koja emituju više topline od crnih.

Na primjer, u skladu s Kirchhoffovim zakonom, odnos emisivnosti tijela i njen kapacitet apsorpcije je isti za sva tijela i ovisi samo o temperaturi, za sva tijela, uključujući apsolutno crna, na datoj temperaturi:

(3)

Budući da je apsorpcijski kapacitet potpuno crnog tijela
A I itd. uvijek manji od 1, onda iz Kirchhoffovog zakona slijedi da je maksimalna emisivnost ima potpuno crno tijelo. Budući da u prirodi ne postoje apsolutno crna tijela, uvodi se pojam sivog tijela, njegov stepen crnila ε, što je omjer emisivnosti sivog i apsolutno crnog tijela:

Slijedeći Kirchhoffov zakon i uzimajući u obzir to
može se zapisati
gdje
one . stepen crnila karakteriše i relativnu emisivnost i sposobnost apsorpcije tela . Osnovni zakon zračenja, koji odražava zavisnost intenziteta zračenja
vezan za ovaj opseg talasnih dužina (monohromatsko zračenje) je Plankov zakon.

(4)

Gdje - talasna dužina, [m];

;

I su prva i druga Plankova konstanta.

Na sl. 1.2 ova jednačina je prikazana grafički.

Rice. 1.2. Grafički prikaz Planckovog zakona

Kao što se može vidjeti iz grafikona, potpuno crno tijelo emituje zračenje na bilo kojoj temperaturi u širokom rasponu valnih dužina. Sa povećanjem temperature, maksimalni intenzitet zračenja se pomera prema kraćim talasima. Ovaj fenomen je opisan Wienovim zakonom:

Gdje
- talasna dužina koja odgovara maksimalnom intenzitetu zračenja.

Sa vrijednostima
Umjesto Planckovog zakona, može se primijeniti Rayleigh-Jeansov zakon, koji se još naziva i "zakon dugovalnog zračenja":

(6)

Intenzitet zračenja povezan sa čitavim opsegom talasnih dužina od
prije
(integralno zračenje), može se odrediti iz Planckovog zakona integracijom:

gdje je emisivnost crnog tijela. Izraz se zove Stefan-Boltzmann zakon, koji je ustanovio Boltzmann. Za siva tijela Stefan-Boltzmannov zakon je napisan kao:

(8)

- emisivnost sivog tijela. Prijenos topline zračenjem između dvije površine određen je na osnovu Stefan-Boltzmannovog zakona i ima oblik:

(9)

Ako
, tada smanjeni stepen emisivnosti postaje jednak stepenu emisivnosti površine , tj.
. Ova okolnost čini osnovu metode za određivanje emisivnosti i stepena crnila sivih tijela koja imaju neznatne dimenzije u odnosu na tijela koja međusobno razmjenjuju energiju zračenja.

(10)

(11)

Kao što se vidi iz formule, određivanje stepena emisivnosti i emisivnosti WITH sivo tijelo mora znati temperaturu površine tijelo se testira, temperatura okruženje i zračenje toplote sa površine tela
. Temperature I mogu se mjeriti poznatim metodama. A toplotni tok zračenja se određuje iz sljedećih razmatranja.

Toplota se širi sa površine tela u okolni prostor putem zračenja i prenosa toplote tokom slobodne konvekcije. Pun protok od površine tijela će tako biti jednak:

, gdje
;

- konvektivna komponenta toplotnog toka, koja se može odrediti prema Newton-Richmannovom zakonu:

(12)

Zauzvrat, koeficijent prijenosa topline može se odrediti iz izraza:

(13)

Definirajuća temperatura u ovim izrazima je temperatura graničnog sloja:

Rice. 2 Šema eksperimentalne postavke

Legenda:

B – prekidač;

P1, P2 – regulatori napona;

PW1, PW2 – mjerači snage (vatmetri);

NE1, NE2 – grijaći elementi;

IT1, IT2 – mjerači temperature;

T1, T2 itd. – termoparovi.

Studija toplotnog zračenja. određivanje stepena crnila volframove žarulje sa žarnom niti

3.1 Toplotno zračenje i njegove karakteristike

Tijela zagrijana na dovoljno visoke temperature sposobna su da emituju elektromagnetne talase. Sjaj tijela povezan s zagrijavanjem naziva se toplinsko zračenje. Ovo zračenje je najčešće u prirodi. Toplotno zračenje može biti ravnotežno, tj. može biti u stanju termodinamičke ravnoteže sa supstancom u zatvorenom (termoizolovanom) sistemu. Kvantitativna spektralna karakteristika toplotnog zračenja je spektralna gustina luminoznosti energije (emisiona):

gdje je spektralna gustina energetske luminoznosti; - energija elektromagnetnog zračenja emitovanog u jedinici vremena sa jedinične površine tela u opsegu talasnih dužina od do ;

Karakteristika ukupne snage toplotnog zračenja po jedinici površine tela u čitavom opsegu talasnih dužina od do je energetski luminozitet (integrisani energetski luminozitet):

3.2. Plankova formula i zakoni Toplotno zračenje crnog tijela

Stephan-Boltzmann zakon

Godine 1900. Planck je iznio hipotezu prema kojoj atomski oscilatori emituju energiju ne kontinuirano, već u dijelovima-kvantima. U skladu sa Planckovom hipotezom, određena je spektralna gustina energetske luminoznosti sljedeću formulu:

. (3)

Iz Planckove formule možemo dobiti izraz za energetski sjaj. Zamenimo vrednost spektralne gustine energetske svetlosti tela iz formule (3) u izraz (2):

(4)

Za izračunavanje integrala (4) uvodimo novu varijablu. Odavde ; . Formula (4) se zatim transformiše u oblik:

Jer , tada će izraz (5) za energetsku luminoznost imati sljedeći oblik:

. (6)

Relacija (6) je Stefan-Boltzmannov zakon, gdje je Stefan-Boltzmannova konstanta W/(m 2 K 4).

Ovo nam daje definiciju Stefan-Boltzmannovog zakona:

Energetski sjaj potpuno crnog tijela direktno je proporcionalan četvrtom stepenu apsolutne temperature.

U teoriji toplotnog zračenja, uz model crnog tijela, često se koristi koncept sivog tijela. Tijelo se naziva sivim ako mu je koeficijent apsorpcije isti za sve valne dužine i ovisi samo o temperaturi i stanju površine. Za sivo tijelo Stefan-Boltzmannov zakon ima oblik:

gdje je emisivnost toplotnog emitera (faktor emisivnosti).

· prvi zakon vina (Wine's law of displacement)

Ispitajmo relaciju (3) za ekstrem. Da bismo to uradili, odredimo prvi izvod spektralne gustine u odnosu na talasnu dužinu i izjednačimo ga sa nulom.

. (8)

Hajde da uvedemo varijablu. Tada iz jednačine (8) dobijamo:

. (9)

U opštem slučaju, transcendentna jednačina (9) se rešava metodom uzastopnih aproksimacija. Budući da se za realne temperature može naći jednostavnije rješenje jednadžbe (9). Zaista, pod ovim uslovom, relacija (9) se pojednostavljuje i poprima oblik:

koji ima rješenje na . Dakle

Tačnije rješenje jednačine (9) korištenjem metode uzastopnih aproksimacija dovodi do sljedeće zavisnosti:

, (10)

Gdje mK.

Iz relacije (10) slijedi definicija Wienovog prvog zakona (Wienov zakon pomaka).

Talasna dužina koja odgovara maksimalnoj spektralnoj gustini energetske svjetlosti obrnuto je proporcionalna tjelesnoj temperaturi.

Količina se zove konstanta Wienovog zakona pomaka.

· drugi zakon vina

Zamijenimo vrijednost iz jednačine (10) u izraz za spektralnu gustinu luminoznosti energije (3). Tada dobijamo maksimalnu spektralnu gustinu:

, (11)

Gdje W/m 2 K 5.

Iz relacije (11) slijedi definicija Wienovog drugog zakona.

Maksimalna spektralna gustina energetske luminoznosti apsolutno crnog tijela direktno je proporcionalna petom stepenu apsolutne temperature.

Količina se zove konstanta Wienovog drugog zakona.

Na slici 1 prikazana je zavisnost spektralne gustine energetske luminoznosti od talasne dužine za određeno telo pri dva različite temperature. Sa povećanjem temperature, površina ispod krivulje spektralne gustine treba da se povećava proporcionalno četvrtom stepenu temperature u skladu sa Stefan-Boltzmanovim zakonom, talasna dužina koja odgovara maksimalnoj spektralnoj gustini treba da se smanji obrnuto proporcionalno temperaturi prema Wienovom zakonu pomaka, a maksimalna vrijednost spektralne gustine treba da raste direktno proporcionalno petom stepenu apsolutne temperature u skladu sa Wienovim drugim zakonom.

Slika 1

4. UREĐAJI I DODATNA OPREMA. OPIS INSTALACIJE

U ovom radu se kao emitivno tijelo koristi žarna niti električnih sijalica različitih snaga (25, 60, 75 i 100 W). Za određivanje temperature žarulja električnih sijalica uzima se strujno-naponska karakteristika iz koje se određuje vrijednost statičkog otpora () žarulje i izračunava njena temperatura. Slika 2 prikazuje tipičnu strujno-naponsku karakteristiku žarulje sa žarnom niti. Može se vidjeti da pri niskim vrijednostima struje struja linearno zavisi od primijenjenog napona i odgovarajuća prava linija prolazi kroz početak. Daljnjim povećanjem struje, žarna nit se zagrijava, otpor žarulje se povećava i uočava se odstupanje strujno-naponske karakteristike od linearne ovisnosti koja prolazi kroz ishodište koordinata. Za održavanje struje na većem otporu potreban je veći napon. Diferencijalni otpor lampe monotono se smanjuje i tada poprima gotovo konstantnu vrijednost, a strujno-naponska karakteristika u cjelini je nelinearna. Pod pretpostavkom da je energija koju troši električna lampa uklonjena zračenjem, možemo odrediti koeficijent emisivnosti žarne niti ili procijeniti Stefan-Boltzmannu konstantu koristeći formulu:

, (12)

gdje je površina niti žarulje; - stepen crnila; - Stefan-Boltzmannova konstanta.

Iz formule (12) možete odrediti koeficijent emisivnosti žarne niti električne žarulje.

. (13)

Slika 2

Slika 3 pokazuje električni dijagram instalacije za mjerenje strujno-naponskih karakteristika lampe, određivanje otpora niti, njegove temperature i proučavanje zakona toplinskog zračenja. Tasteri K 1 i K 2 su namenjeni za povezivanje električnih mernih instrumenata sa potrebnim granicama za merenje struje i napona.

Promjenjivi otpor je spojen na kolo naizmjenične struje sa mrežnim naponom od 220V pomoću potenciometrijskog kola koje osigurava glatku promjenu napona od 0 do 220V.

Određivanje temperature filamenta zasniva se na poznatoj zavisnosti otpornosti metala od temperature:

gdje je otpor niti na 0 0 C; - temperaturni koeficijent otpornosti volframa, 1/deg.

Slika 3

Napišimo izraz (14) za sobnu temperaturu.

. (15)

Deleći izraz (14) sa (15) član po član, dobijamo:

Odavde određujemo temperaturu filamenta:

. (17)

Dakle, znajući statički otpor filamenta u odsustvu struje na sobnoj temperaturi i otpor filamenta kada struja teče, može se odrediti temperatura niti. Prilikom izvođenja radova, otpor na sobnoj temperaturi mjeri se digitalnim električnim mjernim instrumentom (testerom), a statički otpor filamenta se izračunava pomoću Ohmovog zakona

6. POSTUPAK IZVOĐENJA RADOVA

1. Odvijte žarulju sa žarnom niti iz utičnice i pomoću digitalnog električnog mjerača odredite otpor niti električne žarulje koja se ispituje na sobnoj temperaturi. Zapišite rezultate mjerenja u tablicu 1.

2. Uvrnuti lampu u grlo, očitati strujno-naponsku karakteristiku lampe (zavisnost struje od napona). Izmjerite jačinu struje svakih 5 mA nakon kratke ekspozicije u trajanju od 2-5 minuta. Zabilježite rezultate mjerenja u tablici 1.

3. Izračunajte pomoću formule (18) i (17) otpor i temperaturu filamenta na 0 C i K.

4. Izračunajte koeficijent emisivnosti filamenta koristeći formulu (13). Zapišite rezultate proračuna u tablicu 1.

Eksperimentalni podaci za izračunavanje koeficijenta emisivnosti

Tabela 1

№	ja,	V,	P,	R,	t,	T,	S,	k
	mA	IN	W	Ohm	0 C	TO	m 2

5. Na osnovu podataka u tabeli 1, nacrtati strujno-naponsku karakteristiku lampe, zavisnost otpora i koeficijenta emisivnosti od temperature i snage.

Zračenje čvrstih tela je površinsko zračenje, dok je zračenje gasova volumetrijsko.

Prijenos topline zračenjem između dvije ravne paralelne sive površine čvrstih tijela s temperaturama T 0 1 abs i T 0 2 abs (T 1 > T 2) izračunava se po formuli

Cpr - smanjena emisivnost;

C 1 - emisivnost površine prvog tijela;

C 2 - emisivnost površine drugog tijela;

C s = 4,9 kcal/m 2 sat deg 1 - emisivnost crnog tijela.

U praktičnim proračunima pogodnije je koristiti takozvani stepen emisivnosti

=.

Smanjena emisivnost

U slučaju kada je prvo tijelo površine F 1 od svih

strane okružene površinom F 2 drugog tijela, količina prenesene topline određena je formulom

Smanjena emisivnost i smanjeni stepen emisivnosti određuju se formulama

U slučaju kada je F 2 >F 1, tj.

C pr =C 1 i pr = 1 .

Kako bi se smanjili gubici topline zbog zračenja, koriste se tzv. Ekran je tankozidni lim koji prekriva zračeću površinu i nalazi se na maloj udaljenosti od potonje. Kao prva aproksimacija, konvektivni prijenos topline kroz zračni jaz između ekrana i zračeće površine nije uzet u obzir. Takođe, toplotni otpor samog zida ekrana se uvek zanemaruje, odnosno temperature na njegovim površinama se smatraju istim.

Za ravne paralelne ekrane, uz zamjenu se koristi formula za prijenos topline zračenjem takozvani ekvivalentni stepen emisivnosti

Gdje 12 ,23, itd. - određuje se formulom za pr, smanjeni stepen emisivnosti pri razmeni toplote zračenjem između 1. i 2. površine, između 2. i 3. površine itd.

Prilikom zaštite cilindričnih tijela (cijevi), ekvivalentni stepen emisivnosti

Količina prenesene topline Q izračunava se po formuli

Zračenje gasova

Zračeći plinovi su troatomni i poliatomski plinovi. Zračenje je od najvećeg praktičnog interesa

CO 2 i H 2 O.

Emisija gasova je selektivna i zavisi od veličine i oblika zapremine gasa.

Količina toplote koja se prenosi zračenjem iz zapremine gasa, čije su komponente CO 2 i H 2 O, na okolnu ljusku, koja ima svojstva sivog tela, određena je formulom

gde je T gas apsolutna temperatura zapremine zračenog gasa;

T st - apsolutna temperatura okolne ljuske;

= 0,5 (+ 1) - efektivni stepen emisivnosti ljuske (at od 0,8 do 1,0);

=
+
- stepen crnila gasa, određen iz grafikona na sl. 85 i 86 za prosječnu temperaturu plina;

- stepen emisivnosti gasa, određen prema istim grafikonima, ali prema temperaturi t st ljuske;

β-korekcija za parcijalni pritisak vodene pare, određena iz grafikona na Sl. 87.

Stepen crnila ugljičnog dioksida
i vodene pare
zavisi od temperature zapremine gasa i efektivne debljine zračećeg sloja ps, gde je p ata parcijalni pritisak zračeće komponente, a sm redukovana dužina snopa.

Smanjena dužina snopa može se približno odrediti formulom

gdje je Vm 3 zapremina ispunjena zračećim gasom (zapremina zračenja);

Fm 2 - površina ljuske.

Za određene posebne slučajeve, smanjena dužina snopa određena je sljedećim formulama:

za zapreminu gasa u međucevnom prostoru (s 1 - uzdužni korak, tj. rastojanje između osa cevi u nizu; s 2 - poprečni korak, tj. korak između redova; d - prečnik cevi)

za ravno-paralelni plinski sloj beskonačnog opsega i debljine

s= 1.8 ;

za prečnik cilindra d

Ponekad se uvodi koncept koeficijenta prijenosa topline zračenjem α l kcal/m 2 sat deg. Ovaj koeficijent je određen formulom

Primjer. Odredite količinu topline koja se prenosi zračenjem sa zagrijane čelične ploče, čija je površinska temperatura t 1 = 1027 ° C, na drugu sličnu ploču, čija je površinska temperatura t 2 = 27 ° C, koja se nalazi paralelno s prvom .

Rješenje.Iz Dodatka 20 nalazimo stepen emisivnosti čelične ploče (oksidirane):
. Određujemo dato

stepen emisivnosti prema formuli

Količina prenesene toplote

Primjer. U prostoriji se polaže čelični parni cjevovod promjera 300 mm, čija je temperatura vanjskog zida t 1 = 300 ° C. Kako bi se smanjili gubici topline, vod pare je prekriven dvostrukim cilindričnim kućištem (ekranom). Prvo kućište prečnika 320 mm izrađeno je od tankih čeličnih limova ( = 0,82), drugo kućište prečnika 340 mm je izrađeno od tankih aluminijumskih limova ( = 0,055). Odrediti gubitak topline po 1 linearnom. m golih i zaštićenih parnih cijevi, kao i temperaturu aluminijskog kućišta. Zanemarite konvektivni prijenos topline. Temperatura prostorije je 25°C.

Rješenje Odredimo gubitak topline golim parovodom, uz pretpostavku da je površina parovoda F 1 višestruko manja od površine zidova prostorije F 4 . Na F 1<

pr = 1 = 0.80

(za oksidirani čelik).

Prema formuli

Sada odredimo gubitak toplote u prisustvu ekrana. Određujemo smanjene koeficijente emisivnosti:

Ekvivalentna emisivnost

Količina toplote koja se prenosi zračenjem

Dakle, kao rezultat postavljanja paravana, gubitak topline je smanjen za

Da bismo odredili temperaturu aluminijskog lima, kreiramo jednačinu

Rješavajući ovu jednačinu, nalazimo

Primjer. Termopar se koristi za mjerenje temperature toplog zraka koji struji kroz kanal. Između spoja termoelementa i zidova kanala (Sl. 88), dolazi do razmene toplote zračenja, što iskrivljuje očitavanja termoelementa. Da bi se umanjila greška pri mjerenju temperature, termoelement se zatvara sito cijevi 1. Odrediti stvarnu temperaturu strujanja zraka ako termoelement pokazuje temperaturu t = 200° C. Temperatura unutrašnje stijenke kanala t st = 100 ° C. Stepen emisivnosti ekrana i spoja termoelementa je isti i jednak je 0,8. Koeficijent prolaza toplote od vazduha do spoja termoelementa je α = 40 kcal/m 2 sata stepena, a do površine ekrana α = 10 kcal/m 2 sata stepena.

Rješenje Označimo realno

(željena) temperatura vazduha t in.

Temperatura određena od

termoelement, je temperatura

her solda t.

Napravimo jednačinu za termičku ravnotežu spoja termoelementa. Količina topline koju spoj primi zbog konvekcije jednaka je

a količina toplote koju daje zračenje sa površine F spoja na površinu F spoja termoelementa sitaste cijevi koja okružuje spoj je

gdje je T e apsolutna temperatura unutrašnje površine sitaste cijevi.

Uzimajući u obzir da je F e >>F, dobijamo
.

U stacionarnom načinu rada, ravnoteža topline za spoj termoelementa bit će izražena jednadžbom

Sada napravimo toplinski balans za cijev sita, zanemarujući toplinski otpor same cijevi. Dolazak topline uslijed konvekcije

Dobitak topline zbog zračenja iz spoja termoelementa očito je jednak toplini

što je, pak, jednako

Potrošnja topline zbog zračenja vanjske površine sitaste cijevi na okolne zidove kanala

i od u u ovom slučaju F st >>F e, onda
. Dakle, toplotna ravnoteža sitaste cijevi je izražena jednadžbom

Obično se u ovoj jednadžbi prvi član s lijeve strane zanemaruje.

dijelovi (zbog F e >>F). Onda

Zajedničko rješenje jednadžbi nam omogućava da odredimo traženo

Temperatura t in

Rezultirajuće jednačine rješavamo grafički, računajući iz njih

Temperatura t in ovisno o t e. Tačka preseka odgovarajućih krivulja (slika 89) određuje temperaturu na:

Greška u određivanju temperature pomoću termoelementa

Primjer. Odredite količinu topline koja se prenosi zračenjem na čelične cijevi koje se nalaze u plinskom kanalu parnog kotla s vodom. Parcijalni pritisci ugljičnog dioksida u vodenoj pari u dimnim plinovima su p CO 2 = 0,15 ata i p H 2 O = 0,075 ata. Vanjski promjer cijevi d = 51 mm; njihovi uzdužni koraci 1 = 90 mm i poprečni koraci 2 = 70 mm. Temperatura gasa

n
na ulazu u plinski kanal / =1000 0 C, a na izlazu iz plinskog kanala // =800 0 C. Vanjska temperatura

površina cijevi je konstantna

i jednako t st =230 0 C.

Rješenje.Preliminarno

odrediti prosječnu temperaturu

protok gasa koji prihvatamo

jednak projektovana temperatura t gas.

Odgovarajuće efektivne debljine sloja

Prema grafikonima na sl. 85 i 86 nalazimo

Korekcija β za parcijalni pritisak vodene pare (prema sl. 87) β = 1,06.

Prema formuli

Koeficijent prolaska topline zračenja

Primjer. Smjesa plinova kreće se u cilindričnoj čeličnoj cijevi unutrašnjeg prečnika d = 0,25 m. Prosječna temperatura plina = 1100 0 C. Parcijalni tlak ugljičnog dioksida

= 0,45 ata. Temperatura zida tst = 300 0 C. Odrediti količinu toplote koja se prenosi zračenjem po 1 linearnom metru. m cijevi.

Rješenje: Smanjena dužina snopa

S=0,9d=0,9·0,25=0,225 m.

Efektivna debljina zračećeg sloja

s
=0,225·0,45=0,101 m ata.

Prema sl. 85 se određuje na t= 1100° C
=0,10: att= 300 0 C
= 0,095. Pošto u smjesi nema vodene pare, onda gas = 0,10 i
= 0,095.

Prema formuli

Za 1 linearnu m

Zadaci

453. Odrediti količinu topline koju zrači čelična ploča na temperaturi t 1 = 600 0 C na mesingani lim iste veličine na temperaturi t 2 = 27 0 C, koji se nalazi paralelno s pločom. Također odredite koeficijent prijenosa topline zračenjem.

Odgovor: q 12 =5840 kcal/m2 sat α l = 10,2 kcal/m2 sat st.

454. Razmjena zračenjem se odvija između dvije paralelne ravni. Površina koja ima temperaturu t 1 =

600°C i stepen crnila =0,64, emituje toplotu u količini

q 12 = 1000 kcal/m 2 sat. Odredite temperaturu grube površine aluminijuma koja prima toplotu ( = 0,055).

Odgovor: t 2 =390 0 C.

455. Odrediti količinu toplote q 12 kcal/m 2 h koju zrači površina ravnog zida do drugog paralelnog ravnog zida. Temperature zida su t 1 = 227 °C odnosno t 2 = 27 0 C. Određivanje se vrši za četiri opcije:

a) C 1 = C 2 = C s = 4,9 kcal/m 2 sat stepen 4 (apsolutno crne površine);

b) C 1 = C 2 = 4,3 kcal/m 2 sat deg 4 (mat čelične površine);

c) C 1 = 4,3 kcal/m 2 sata stepen 4 (mat čelična površina),

C 2 = 0,3 kcal/m 2 sat deg 4 (limena ploča);

d) C 1 = C 2 = 0,3 kcal/m 2 sat stepen 4 (limena ploča).

Odgovor: a) q 12 =2660 kcal/m 2 sat; 6)q 12 =2080 kcal/m 2 sat;

c) q 12 = 160 kcal/m 2 sat; d)q 12 = 84 kcal/m 2 sat.

456. U prostoriji od cigle nalazi se čelična cijev prečnika d = 200 mm i dužine 1 = 5 m, čija je širina a = 8 m, a visina h = 5 m. Odrediti gubitak toplote zračenjem za cijev ako je površinska temperatura cijevi t 1 = 327 °C, temperatura površine zidova prostorije t 2 = 27 °C.

Odgovor: Q 12 =14950 kcal/sat.

457. Riješi prethodni zadatak pod uslovom da a) se čelična cijev nalazi u hodniku od cigle poprečnog presjeka 2 x 1 m i b) da se čelična cijev nalazi u kanalu od cigle poprečnog presjeka 350 x 350 mm. Temperatura zidova u oba slučaja je t 2 = 27° C. Uporedite rezultate sa odgovorom na prethodni zadatak.

Odgovor: a) Q 12 =14900 kcal/sat; b)Q 12 = 14500 kcal/sat.

458. Odrediti gubitke toplote zbog zračenja jednom linearnom linijom. m čeličnog parovoda. Spoljni prečnik parovoda je d = 0,2 m, temperatura njegove površine t 1 = 310 0 C, a temperatura

ambijentalni zrak t 2 = 50 0 C. Uporedite rezultate rješenja sa odgovorom na zadatak 442.

Odgovor: q= 2575 kcal/linearno. m sat; gubitak toplote zbog zračenja je 2,36 puta veći od gubitka toplote kroz konvektivni prenos toplote.

459. Vrata za sagorevanje od livenog gvožđa parnog kotla dimenzija 500 x 400 mm imaju temperaturu t 1 = 540 °C ( = 0,64). Odredite količinu zračene toplote ako je temperatura u kotlarnici t 2 = 35° C. Odredite i koeficijent prolaza toplote zračenjem.

Odgovor: Q = 2680 kcal/sat, α l = 2b.5 kcal/m 2 sata st.

460. Odrediti prijenos topline zračenjem između mat čeličnih paralelnih površina (vidi zadatak 455 6), ako je između njih postavljen ekran u obliku tankog čeličnog lima sa istom emisivnošću.

Odgovor: q 12 = 1040 kcal/m 2 sat.

461. Zadatak 460 riješiti pod uslovom da se između čeličnih površina postavi sito od četiri tanka čelična lima iste emisivnosti.

Odgovor: q 12 =416 kcal/m 2 sat.

462. Riješite zadatak 455 6, pod uslovom da se između čeličnih površina postavi sito od lima. Uporedite rezultat rješenja sa odgovorom na zadatak 455 6.

Odgovor: q 12 =81 kcal/m 2 sat, tj. količina prenesene toplote se smanjuje za približno 25 puta.

463. Riješiti zadatak 455 6, pod uslovom da između čeličnih površina postoji sito od dva lista belog lima.

Odgovor: q 12 = 41,5 kcal/m 2 sat.

464. Peć parnog kotla je napunjena plamenicom koja ima uslovnu temperaturu t 1 = 1000 0 C i uslovni stepen emisivnosti = 0,3. Odredite količinu toplote koja se emituje kroz otvor za vijke ložišta zatvorenog vratima od livenog gvožđa ( = 0,78) kao i temperatura samih vrata, ako je temperatura u kotlarnici t 2 = 30 0 C (vrata od livenog gvožđa se mogu smatrati ravnim ekranom između gorionika i okoline). Pretpostavlja se da je stepen crnila okoline 1,0.

Odgovor: q = 25530 kcal/m 2 sat; t dv = b5b ° C.

465. Rešiti prethodni problem pod uslovom da vrata od livenog gvožđa budu opremljena reflektorom od livenog gvožđa koji se nalazi sa strane ložišta (ovakav reflektor se može smatrati ekranom).

Odgovor: q = 19890 kcal/m 2 sat; t dv = 580° C.

466. Riješite primjer na strani 225 pod uslovom da spoj termoelementa nije zaštićen sitanom cijevi.

Odgovor: t in =230 0 C; greška u određivanju temperature je 13%.

467. Riješite zadatak 458, pod uslovom da je parovod okružen ekranom od čeličnog lima ( = 0,82). Promjer sita d e = 0,3 m. Između parovoda i čeličnog sita nalazi se zrak. Prilikom određivanja toplotnih gubitaka zbog zračenja, ne treba uzeti u obzir konvektivnu razmenu toplote između ekrana i vazduha. Također odredite temperaturu ekrana. Uporedite rezultate sa odgovorom na zadatak 458. Odgovor: q= 1458 kcal/linearno. m sat; t e =199°C.

468. Rješiti prethodni zadatak uzimajući u obzir konvektivnu razmjenu topline između zaslona i zraka, uzimajući koeficijent prolaza topline jednak α e = 20 kcal/m 2 sat deg. Uporedite rezultat sa odgovorom na zadatke 458 i 467.

Odgovor: q= 1890 kcal/linearno. m sat; t e = 126° C.

Indikacija: Prilikom rješavanja zadatka 468 potrebno je sastaviti

jednačina toplotnog bilansa.

469. Parovod prečnika d = 0,2 m (naveden u zadatku 458) pokriven je toplotnom izolacijom, koja se sastoji od 5 ekrana od aluminijska folija (= 0,055). Udaljenost između slojeva folije je = 5 mm. Odredite koliko je puta gubitak toplote zračenjem izolovanog parovoda manji od gubitka toplote neizolovanog parovoda. Odgovor: 127 puta manje.

470. Odrediti koeficijent prolaska toplote zračenjem iz dimnih gasova na zidove cevi za grejanje vode parnog kotla. Vanjski prečnik cijevi d= 44,5 mm, uzdužni nagib cijevi u nizu

s 1 = 135 mm, a poprečni korak s 2 = 90 mm. Temperatura plinova na ulazu u dimnjak je t / = 900 0 C, a na izlazu t // = 700 ° C. Temperatura površine zidova cijevi je t st = 300 ° C. Parcijalni pritisci troatomski gasovi su jednaki:
= 0,18 ata i
= 0,08 ata.

Odgovor: α l 12,8 kcal/m 2 sata st.

471. Riješite prethodni zadatak pod uslovom da se koraci cijevi smanje na s 1 = 81 mm i s 2 = 65 mm, a da se preostali početni podaci ostave nepromijenjeni. Odgovor: α l = 8 kcal/m 2 sata st.

472. U uskom kanalu poprečnog presjeka 820 x 20 mm kreće se mješavina gasova sljedećeg sastava (po zapremini): N 2 = 73%; O 2 = 2%; CO 2 = 15%, H 2 O = 10%. Prosečna temperatura gasne mešavine je gas = 900° C, pritisak smeše je p = 1 ata. Zidovi kanala su izrađeni od čeličnog lima. Temperatura na površini zidova kanala t st = 100° C. Odrediti količinu topline koja se prenosi od plinova do zidova kanala zračenjem. Odgovor: q=4000 kcal/m 2 sata.

FEDERALNA AGENCIJA ZA OBRAZOVANJE

DRŽAVNA OBRAZOVNA USTANOVA VIŠ

STRUČNO OBRAZOVANJE

"IVANOVSKI DRŽAVNI ENERGETSKI UNIVERZITET

IMENA PO V.I. LENIN"

Odjel teorijske osnove inženjeri grijanja

Određivanje integralnog stepena emisivnosti čvrstog tela

Uputstvo za izvođenje laboratorijskih radova

Ivanovo 2006

Sastavio V.V. Bukhmirov

TIH. Sozinov

Urednik D.V. Rakutina

Smjernice su namijenjene studentima koji studiraju na specijalnostima toplotne tehnike 140101, 140103, 140104, 140106 i 220301 i izučavaju predmet „Prenos topline i mase“ ili „Toplotehnika“.

Smjernice sadrže opis eksperimentalne postavke, metodologiju izvođenja eksperimenta, kao i proračunske formule potrebne za obradu eksperimentalnih rezultata.

Smjernice je odobrila metodološka komisija TEF ciklusa.

Recenzent

Katedra za teorijske osnove toplotne tehnike, Državni energetski univerzitet Ivanovo

1. Zadatak

1. Eksperimentalno odredite integralni stepen emisivnosti tanke volframove niti.

2. Uporedite rezultate eksperimenta sa referentnim podacima.

2. Kratke informacije iz teorije radijacijskog prijenosa topline

Toplotno zračenje (razmjena topline zračenja) je metoda prijenosa topline u prostoru, koja se provodi kao rezultat širenja elektromagnetnih valova, čija se energija, u interakciji s materijom, pretvara u toplinu. Radijativni prijenos topline povezan je s dvostrukom transformacijom energije: u početku se unutrašnja energija tijela pretvara u energiju elektromagnetnog zračenja, a zatim, nakon što se energija prenosi u prostoru elektromagnetnim valovima, drugi prijelaz energije zračenja u javlja se unutrašnja energija drugog tijela.

Toplotno zračenje supstance zavisi od telesne temperature (stepena zagrevanja supstance).

Energija toplotnog zračenja koja pada na tijelo može se apsorbirati, reflektirati od strane tijela ili prenijeti kroz njega. Tijelo koje apsorbira svu energiju zračenja koja pada na njega naziva se apsolutno crno tijelo (ABL). Imajte na umu da na datoj temperaturi crno tijelo emituje najveću moguću količinu energije.

Gustina protoka vlastitog zračenja tijela naziva se emisivnost. Ovaj parametar zračenja unutar elementarne oblasti talasne dužine naziva se spektralni prirodna gustina fluksa zračenja ili spektralne emisivnosti tijela. Emisivnost crnog tela, u zavisnosti od temperature, je u skladu sa Stefan-Boltzmanovim zakonom:

, (1)

gdje je  0 = 5,6710 -8 W/(m 2 K 4) – Stefan-Boltzmannova konstanta; = 5,67 W/(m 2 K 4) – emisivnost crnog tijela; T – temperatura površine apsolutno crnog tijela, K.

Apsolutno crna tijela ne postoje u prirodi. Tijelo čiji je spektar zračenja sličan spektru zračenja crnog tijela, a spektralna gustina toka zračenja (E ) je isti dio   spektralne gustine fluksa zračenja crnog tijela (E 0,λ) naziva se siva tijelo:

, (2)

gdje je   spektralni stepen emisivnosti.

Nakon integracije izraza (2) preko cijelog spektra zračenja (
) dobijamo:

, (3)

gdje je E emisivnost sivog tijela; E 0 – emisivnost crnog tijela; – integralni stepen crnila sivog tijela.

Iz posljednje formule (3), uzimajući u obzir Stefan-Boltzmannov zakon, slijedi izraz za izračunavanje gustine fluksa unutrašnjeg zračenja (emisivnosti) sivog tijela:

Gdje
– emisivnost sivog tijela, W/(m 2 K 4); T – tjelesna temperatura, K.

Vrijednost integralnog stepena emisivnosti zavisi od fizička svojstva tijelo, njegovu temperaturu i hrapavost površine tijela. Integralni stepen emisivnosti određuje se eksperimentalno.

IN laboratorijski rad integralna emisivnost volframa nalazi se proučavanjem razmjene topline zračenja između zagrijane volframove niti (tijelo 1) i zidova staklena boca(tijelo 2) ispunjeno vodom (slika 1).

Rice. 1. Šema prijenosa topline zračenja u eksperimentu:

1 – zagrijani navoj; 2 – unutrašnja površina staklene posude; 3 – voda

Rezultirajući toplotni tok koji primi stakleni cilindar može se izračunati pomoću formule:

, (6)

gde je  pr – smanjeni stepen emisivnosti u sistemu dva tela; 1 i 2 – integralni stepeni emisivnosti prvog i drugog tela; T 1 i T 2, F 1 i F 2 – apsolutne temperature i površine površina razmjene toplote prvog i drugog tijela;  12 i  21 – ugaoni koeficijenti zračenja, koji pokazuju koliki dio energije hemisfernog zračenja pada iz jedne telo drugom.

Koristeći svojstva koeficijenata nagiba to je lako pokazati
, A
. Zamjenom vrijednosti kutnih koeficijenata u formulu (6) dobijamo

. (7)

Budući da je površina volframove niti (tijelo 1) mnogo manja od površine ljuske koja ga okružuje (tijelo 2), kutni koeficijent  21 teži nuli:

F 1 F 2
 21 =F 1 /F 2 0 ili
. (8)

Uzimajući u obzir posljednji zaključak iz formule (7), slijedi da je smanjeni stepen emisivnosti sistema dva tijela prikazan na sl. 1, određena je samo svojstvima zračenja površine navoja:

 pr  1 ili
. (9)

U ovom slučaju, formula za izračunavanje rezultirajućeg toplotnog fluksa koji percipira stakleni cilindar s vodom ima oblik:

iz čega slijedi izraz za određivanje integralnog stepena emisivnosti volframove niti:

, (11)

Gdje
– površina volframove niti: dand – prečnik i dužina navoja.

Emisivnost volframove niti izračunava se pomoću očigledne formule:

. (12)

Prenos toplote zračenja između tela u providnom mediju (smanjeni stepen emisivnosti sistema, proračun prenosa toplote, metode za smanjenje ili povećanje intenziteta prenosa toplote).

Ekrani

IN raznim oblastima U tehnologiji su prilično česti slučajevi kada je potrebno smanjiti prijenos topline zračenjem. Na primjer, potrebno je zaštititi radnike od djelovanja toplotnih zraka u radionicama gdje se nalaze površine s visokim temperaturama. U drugim slučajevima potrebno je zaštititi drvene dijelove zgrada od energije zračenja kako bi se spriječilo paljenje; Termometri trebaju biti zaštićeni od energije zračenja, inače će dati pogrešna očitanja. Stoga, kad god je potrebno smanjiti prijenos topline zračenjem, pribjegavaju ugradnji paravana. Obično je ekran tanak metalni lim sa visokom refleksijom. Temperature obe površine ekrana mogu se smatrati istim.

Razmotrimo djelovanje zaslona između dvije ravne, bezgranične paralelne površine, a zanemarićemo prijenos topline konvekcijom. Smatramo da su površine zidova i paravana identične. Temperature zida T 1 i T 2 se održavaju konstantnim, sa T 1 >T 2 . Pretpostavljamo da su koeficijenti emisivnosti zidova i ekrana međusobno jednaki. Tada su smanjeni koeficijenti emisivnosti između površina bez ekrana, između prve površine i ekrana, te ekrana i druge površine međusobno jednaki.

Toplotni tok koji se prenosi sa prve površine na drugu (bez ekrana) određuje se iz jednačine

Toplotni tok koji se prenosi sa prve površine na ekran nalazi se po formuli

i od ekrana do druge površine prema jednačini

U stabilnom stanju termičko stanje q 1 = q 2, dakle

gdje

Zamjenom rezultujuće temperature ekrana u bilo koju od jednačina, dobijamo

Upoređujući prvu i posljednju jednačinu, nalazimo da instalirate jedan ekran sa prihvaćene uslove smanjuje prijenos topline zračenjem za pola:

(29-19)

Može se dokazati da se ugradnjom dva ekrana prenos toplote smanjuje za tri puta, ugradnjom tri ekrana prenos toplote za četiri puta itd. Značajan efekat smanjenja prenosa toplote zračenjem dobija se kada se koristi sita od poliranog metala, tada

(29-20)

gdje je C "pr smanjena emisivnost između površine i ekrana;

Cpr je smanjena emisivnost između površina.

Zračenje gasova

Zračenje plinovitih tijela oštro se razlikuje od zračenja čvrstih tijela. Jednoatomni i dvoatomni gasovi imaju zanemarljivu emisivnost i sposobnost apsorpcije. Ovi gasovi se smatraju transparentnim za toplotne zrake. Triatomski gasovi (CO 2 i H 2 O itd.) i poliatomski gasovi već imaju značajnu emisivnost, a time i sposobnost apsorpcije. At visoke temperature zračenje troatomskih gasova nastalih tokom sagorevanja goriva ima veliki značaj za rad uređaja za izmjenu topline. Emisioni spektri triatomskih gasova, za razliku od emisije sivih tela, imaju izražen selektivni karakter. Ovi plinovi apsorbiraju i emituju energiju zračenja samo u određenim rasponima valnih dužina koji se nalaze u razni dijelovi spektra (sl. 29-6). Ovi gasovi su transparentni za zrake drugih talasnih dužina. Kada se greda sretne

Na svom putu nalazi se sloj gasa sposoban da apsorbuje snop sa datom talasnom dužinom, zatim se ovaj snop delimično apsorbuje, delimično prolazi kroz debljinu gasa i izlazi na drugu stranu sloja sa intenzitetom manjim od ulaz. Vrlo debeo sloj mogao bi praktično u potpunosti apsorbirati zrak. Osim toga, apsorpcija plina ovisi o njegovom parcijalnom tlaku ili broju molekula i temperaturi. Emisija i apsorpcija energije zračenja u gasovima se dešava u celoj zapremini.

Koeficijent apsorpcije plina može se odrediti sljedećim odnosom:

ili opšta jednačina

Debljina sloja gasa s zavisi od oblika tela i određuje se kao prosečna dužina grede prema empirijskoj tabeli.

Pritisak produkata sagorevanja se obično uzima jednakim 1 baru, pa se parcijalni pritisci troatomskih gasova u smeši određuju jednačinama p co2, = r co2 i P H 2 O = r H 2 O, gde je r zapremina frakcija gasa.

Prosječna temperatura zida se izračunava pomoću jednačine

(29-21).

gde je T" st - temperatura zida kanala na ulazu gasa; T"" c t - temperatura zida kanala na izlazu gasa.

Prosječna temperatura plina određena je formulom

(29-22)

gdje je T" g temperatura plina na ulazu u kanal;

T"" p - temperatura gasa na izlazu iz kanala;

Predznak plus se uzima u slučaju hlađenja, a znak minus u slučaju zagrijavanja plina u kanalu.

Proračun prijenosa topline zračenjem između plina i zidova kanala je vrlo složen i izvodi se pomoću niza grafikona i tabela. Jednostavniju i potpuno pouzdanu metodu proračuna razvio je Shack, koji predlaže sljedeće jednačine koje određuju zračenje plinova u medij s temperaturom od O°K:

(29-23)

(29-24) gde je p parcijalni pritisak gasa, bar; s - prosječna debljina sloja plina, m, T - prosječna temperatura gasovi i zidovi, °K. Analiza gornjih jednačina pokazuje da emisiona moć gasova nije u skladu sa Stefan-Boltzmannom zakonom. Emisija vodene pare je proporcionalna T 3, a emisija ugljičnog dioksida proporcionalna T 3"5.